Woher weiß eine Zelle, ob aus ihr ein Bein oder ein Arm entstehen soll? Ein erster Schritt zu einer Antwort auf diese Fragen ist jetzt Berliner Wissenschafltern gelungen. Sie programmierten Zellen eier Fruchtfliege so um, dass sie statt eines Beines zu eine Flügelzelle wurde.
Wie kann sich aus einer befruchteten Eizelle ein ganzer Mensch entwickeln? „Genau das wollen wir herausfinden“, sagt Ansgar Klebes, der im Sommer 2004 als Juniorprofessor an die Freie Universität Berlin kam. Klebes ist Entwicklungsgenetiker und versucht, anhand der Fruchtfliege Drosophila melanogaster zu untersuchen, wie Zellen programmiert und welche Gene für die Programmierung entscheidend sind. Das ist auch für das Verstehen der menschlichen Entwicklung und vieler Krankheiten bis hin zu Krebserkrankungen von Bedeutung.
Fruchtfliege als Testobjekt
Die Fruchtfliege ist aufgrund ihrer kurzen Entwicklungsphase ein bestens geeigneter Versuchspartner: Nur etwa zehn Tage dauert es, bis sich aus einem Ei ein ausgewachsenes Insekt entwickelt. Und obwohl die nur wenige Millimeter große Fliege ein viel einfacherer Organismus als der Mensch ist, sind viele Gene, die die Entwicklung bestimmen, ähnlich. Immerhin besteht das gesamte Erbgut der Fruchtfliege aus etwa 14.000 Genen, der vielfach komplexere Mensch hingegen nur aus schätzungsweise 20.000 bis 40.000.
In jeder Zelle befindet sich das Genom, also das gesamte Erbgut eines Lebewesens. Trotzdem entwickeln sich ganz unterschiedliche Zelltypen, wie hoch spezialisierte Nervenzellen oder schlichte Hautzellen. „Jede Zelle verfügt zwar über die vollständige Gensammlung, aber manche Gene sind ausgeschaltet und deshalb praktisch funktionslos. Wie sich eine Zelle entwickelt, hängt also von der Zusammensetzung der Gene ab, die noch angeschaltet sind“, so Klebes.
Beine statt Flügel
Um die unterschiedlichen Zellentwicklungen genau zu verstehen, müssen die Biologen für jede Zelle feststellen, welche Gene in ihr angeschaltet und welche abgeschaltet sind. Das hat Klebes insbesondere für die Bein- und die Flügelzellen bei der Fruchtfliege interessiert. Das Ziel: Sie so zu manipulieren, dass sich aus einer ursprünglichen Beinzelle ein Flügel entwickelt. „Denn wenn wir wissen, wie Drosophila-Zellen funktionieren, können wir Rückschlüsse auf die menschlichen Zellen ziehen – und hoffentlich in nicht allzu ferner Zukunft Krankheiten bekämpfen, die heute nur schwer oder gar nicht zu heilen sind.“
Umprogrammierung gelungen
Mit einem genetischen Trick ist es Klebes gemeinsam mit amerikanischen Kollegen in San Francisco und Seattle gelungen, Zellen umzuprogrammieren. Sie haben Beinzellen der Fruchtfliege in Flügelzellen verwandelt. Dabei fanden die Biologen heraus, dass manche Gene die Fähigkeit haben, Regulatoren in den Zellen so zu steuern, dass die ihr festgelegtes Entwicklungsprogramm ändern können.
Die Bein- und Flügelzellen der Fruchtfliege sind schon früh darauf festgelegt, sich zu einem Bein beziehungsweise Flügel zu entwickeln. Um die Beinzellen der Fruchtfliege umprogrammieren zu können, mussten die Wissenschaftler zunächst den genetischen Unterschied zwischen Bein- und Flügelzellen herausfinden und feststellen, welche Gene in welchen Zellen an- und ausgeschaltet sind. Dafür haben sie die Zellen mithilfe von Biochips miteinander verglichen: Ein Miniroboter ordnete alle 14.000 Fliegengene als winzige Tröpfchen reihenweise auf einer dünnen Glasscheibe an und fixierte sie. Auf diesen Biochips können die Forscher alle aktiven Gene aufleuchten lassen, so dass für jeden Zelltyp das komplette Inventar aller angeschalteten Gene ermittelt werden kann.
„Diese Regulatoren haben eine Schalterfunktion, die bestimmt, welches Gen in jeder einzelnen Zelle an- oder abgeschaltet ist“, erklärt Ansgar Klebes den Prozess. „Das heißt, dass genau diese Regulatoren einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklungsfähigkeit der eigentlich schon festgelegten Beinzellen haben, so dass sie sich überhaupt in Flügelzellen verwandeln können.“ Die Ergebnisse dieser Studie hat das deutsch-amerikanische Forscherteam im August in der internationalen Fachzeitschrift „Development“ veröffentlicht.
Rückschlüsse auch für Stammzellforschung
Die Genetiker der Freien Universität Berlin wollen jetzt die Funktion dieser Gene auch in anderen Entwicklungsprozessen der Fliege näher untersuchen. „Wir hoffen, auf diese Weise Erkenntnisse über die Wirkung dieser Gene und ihrer Versionen beim Menschen zu erhalten“, sagt Ansgar Klebes. „Interessanterweise spielen nämlich beim Menschen die gleichen Gene bei der Entwicklungsfähigkeit von erwachsenen Stammzellen eine zentrale Rolle.“
Gerade auf dem aktuellen Gebiet der Stammzellforschung hofft Klebes, mit der ethisch unbedenklichen Forschung an der Fruchtfliege wichtige Erkenntnisse beitragen zu können. Der Grundlagenforschung an menschlichen adulten Stammzellen stehen nämlich wichtige ethische und moralische Bedenken entgegen. „Auch wenn die Programmierung einer Drosophila-Beinzelle und die einer menschlichen Blutstammzelle nicht völlig vergleichbar ist, so scheinen doch die genetischen Schalter, die die Entwicklungsrichtung der Zelle bestimmen, sehr ähnlich zu sein“, glaubt er.
(Freie Universität Berlin, 14.10.2005 – NPO)
